半伞式水轮发电机推力轴承系统计算与分析

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(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

半伞式水轮发电机推力轴承系统计算与分析

宋成宇，郭宏亮

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

半伞式水轮发电机的推力轴承系统承载整个发电机组的轴向负荷。对推力轴承系统运行特性的精确计算是半伞式水轮发电机设计的关键技术之一。以某电站半伞式水轮发电机推力轴承为对象，对发电机推力系统主要运行参数进行了计算，对油膜厚度、油膜温度、油膜压力等运行特性进行了分析。所得结论可为同类型推力轴承系统的设计提供参考。

半伞式水轮发电机；推力轴承系统；油膜；推力瓦

0 引言

半伞式水轮发电机由立轴、密闭自循环空气冷却三相凸极同步发电机组成。其轴承系统包括上导轴承，推力轴承和下导轴承，通常在转子下方设置独立的推力油槽。内循环推力轴承系统由推力头、镜板、弹性金属塑料瓦、弹性油箱支撑、抽屉式冷却器等部件组成。该系统承受发电机组运行的轴向推力，包括发电机的转动部分重量和水轮机的水推力。因此推力轴承系统是半伞式水轮发电机的重要组成部分，该系统设计的合理性直接决定半伞式水轮发电机是否稳定可靠运行。近年来，半伞式水轮发电机单机容量逐年上升，机组的推力负荷也随之增加，因此对推力轴承系统的要求也越来越严格[1]。可以说推力轴承系统的设计代表着半伞式水轮发电机技术的发展水平。

1 推力轴承系统运行参数计算

半伞式水轮发电机推力轴承系统承担机组轴向负荷，推力润滑计算是半伞式水轮发电机设计的关键技术之一。推力轴承系统中推力油槽如图1所示。内循环推力轴承系统如图2所示，半伞式水轮发电机推力轴承瓦计算尺寸如图3所示。

根据推力润滑计算程序对推力轴承系统进行设计，此算法是根据给定的水轮机水推力和半伞式水轮发电机转动部分重量，选定推力瓦块数、内、外径、长宽比、推力载荷支承半径等结构尺寸，并依据摩擦学及流体学相关理论，求解出推力轴承系统的主要运行参数值，包括推力瓦单位压力、平均周速、偏心率、出口边最小油膜厚度及最小瓦间距。为合理的设计推力轴承系统，这些参数值需在工程经验的取值范围内[2]。

图1半伞式水轮发电机轴承系统安装结构示意图

图2半伞式水轮发电机推力轴承系统结构示意图

图3半伞式水轮发电机推力轴承瓦计算尺寸

推力轴承系统主要运行参数确定方法如下

推力瓦单位压力

式中，F—机组推力负荷(t)；m—推力瓦数量；A—单个推力瓦面积 (cm2)。

推力瓦平均周速

式中,D—推力瓦平均直径(cm)；nN—机组额定转速(r/min)。

推力瓦支承直径

式中，β—推力瓦内外径比值；D2—推力瓦外径(cm)。

推力瓦周向偏心率

e=(0.04～0.1)l(cm)

式中，l—推力瓦周向长度 (cm)。

推力瓦出口边最小油膜厚度

式中，φp—推力轴承负载系数，根据实验数据拟合曲线确定；λ—润滑油平均粘度(kg f·s/mm2)；α—推力瓦夹角(°)。

润滑油流过推力瓦面后的温升

式中，φt—推力轴承计算系数，通过查询实验数据拟合曲线并综合考虑推力轴承负载系数、摩阻系数、循环系数来确定；γ—润滑油比重(kgf/mm3)；C—润滑油比热容 (kcal/(kgf·℃))。

推力轴承总损耗

式中，φμ—推力轴承摩阻系数，通过查询实验数据拟合曲线获得。

从上述分析可知，推力瓦单位压力由推力负荷、 推力瓦数量及单个推力瓦扇形面积决定，而推力瓦的单位压力直接关系到油膜厚度和润滑油流过瓦面后的温升，并且润滑油温升与推力瓦的单位压力近似成正比关系，油膜厚度与推力瓦单位压力成反比关系，因此在推力负荷一定的情况下，推力瓦面积选取过小时会导致油膜厚度偏低、油温过高；推力瓦平均周速主要取决于推力瓦平均直径和半伞式水轮发电机机组额定转速，从公式中可以看出，推力瓦平均周速越大则油膜的厚度越大，对机组的运行也就越有利。但推力瓦平均周速过大将使推力轴承损耗加大，加重冷却器负担、降低机组效率、使得推力支承部件的热变形加大，因此在建立动态油膜的基础上应该适当降低推力瓦平均周速。

推力轴承瓦采用偏心支承形式，偏心率取值越小，则轴瓦的承载能力越容易满足，但与此同时楔形油膜的斜度(润滑油进出轴瓦时油膜的厚度)也会随之减小。工程中通过理论分析计算及实验数据获得不同偏心率下推力轴承系统的各种系数分布曲线，选取不同偏心率并确定进出油边的油膜厚度比，在分布曲线上确定相应的负载系数、摩阻系数及循环系数等。偏心率对润滑油温升等运行特性值有直接的影响。

润滑油作为推力轴承系统运行介质，推力瓦与镜板之间的油膜厚度直接影响到推力轴承系统的承载能力。而油膜厚度是由推力瓦外形尺寸、润滑油粘度、推力瓦平均周速、推力瓦单位压力等多个因素共同决定，若油膜厚度设计的偏小，则将降低油膜承载能力使得镜板与推力瓦之间容易发生刚性摩擦，从而降低机组运行安全性，若油膜厚度设计值选取过大则又会造成轴承系统润滑性能的浪费，因此选择的油膜厚度应在一个合理的区间内。依据现有的工程经验，为保证机组安全运行，油膜厚度应大于0.04mm，同时为了使充分利用推力系统的承载能力，油膜厚度尽量不大于0.1mm。

除以上因素外，推力润滑计算还应重点考虑润滑油温升、推力轴承损耗这两个参数值。润滑油的温升与推力瓦瓦面的温度关联密切，半伞式水轮发电机推力瓦若采用弹性金属塑料瓦，瓦面材质耐高温能力不如乌金瓦，因此需要将润滑油温升控制在安全范围内，推力瓦采用埋置检温计法来测量温度，此温度值不超过55℃[3]。

推力轴承损耗值不但对半伞式水轮发电机机组的效率有一定影响，而且影响润滑油油量和冷却器功率，进而影响油槽尺寸和冷却器的形式及尺寸。

2 推力轴承系统运行参数分析

按照上诉计算方法计算某电站的推力轴承系统运行参数。此电站的半伞式水轮发电机及推力轴承系统主要参数见表1。

表1 电站半伞式水轮发电机及推力轴承主要参数

在机组额定参数确定后，根据上述计算方法，得到推力瓦不同结构尺寸下的油膜运行特性计算结果，如图4、图5、图6所示。由图中可知，油膜厚度与油膜压力及油膜温度之间的分布趋势是相互关联的，并且确定最佳的塑料推力瓦尺寸。

图4推力轴承油膜厚度分布图

图5推力轴承油膜压力分布图

图6推力轴承油膜温度分布图

得到该半伞式水轮发电机推力轴承推力瓦结构尺寸见表2。采用此方案得到的推力轴承性能计算结果，见表3。从表中可以看出，所选参数是合理的。

表2 推力瓦结构尺寸参数

表3 推力轴承性能计算结果

3 结语

本文以某电站半伞式水轮发电机推力支承系统为研究对象，应用传统解析算法和有限元方法对推力支承系统运行特性进行详细分析和精确计算，得到以下结论。

(1)推力轴承系统设计合理与否的主要考核特性是推力瓦单位压力及油膜厚度，通过对润滑计算理论的分析总结，工程上认为当推力瓦单位压力应小于4MPa,油膜厚度需大于0.04mm时，推力轴承系统的性能可满足常规水轮发电机组运行的需要。

(2)推力轴承润滑油温升需满足国家标准或合同的要求，而且要考虑瓦面材质的不同，对温度值的限定也会不同。

运用以上方法分析计算云南某电站半伞式水轮发电机组推力轴承系统运行参数，得到的各项性能参数良好，满足机组运行的需要。本文得到的结论，对半伞式水轮发电机组的研究具有指导意义。

[1] 白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京：机械工业出版社, 1982.

[2] 赵红梅,董毓新,马震岳. 弹性金属塑料瓦推力轴承润滑性能分析[J]. 润滑与密封, 1995,1: 14-19.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检查检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 7894—2009 水轮发电机基本技术条件[M]: 3-7.

CalculationandAnalysisonThrustBearingSystemofHalf-UmbrellaHydroGenerator

SongChengyuandGuoHongliang

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The thrust bearing system of half-umbrella hydro generator bears the axial load of whole generator unit. The accurate calculation of operating characteristics of the system is one of the key techniques in design of half-umbrella hydro generator. Taking a thrust bearing of half-umbrella hydro generator in a Yunnan power station as a study object, the main operation parameters of the system were calculated, and the operation characteristics such as oil film thickness, oil film temperature and oil film pressure were analyzed. The obtained result can provide a reference for design of similar thrust bearing system.

Half-umbrella hydro generator；thrust bearing system；oil film；thrust pad

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.07

TM301.3

A

1008-7281(2017)06-0025-004

宋成宇女1984年生；毕业于哈尔滨理工大学电机与电器专业，现从事水轮发电机设计工作.

2017-06-03